硬顶板综放工作面强矿压机理及防控技术研究

《Computational Particle Mechanics》：Study on mechanism of strong strata behavior and prevention & control technology in fully mechanized top-coal caving face with hard roof

　　

为解决硬顶板综放工作面矿压显现复杂、顶板灾害频发的问题，研究人员以61617工作面为工程背景，综合运用理论分析、数值模拟和现场监测，对硬顶板综放工作面强矿压形成机制进行了研究，分析了开采过程中硬顶板的应力演化路径、变形破坏特征及能量积聚与释放机制。在此基础上，提出了基于“关键层能量控制”的聚能爆破切顶技术，实现了从关键层识别到能量调控的全流程探究。结果表明，强矿压主要分为大跨度悬顶断裂型和超前断裂回转型两种。通过计算顶板断裂步距，确定11.25 m厚粗砂岩为主关键层，7.4 m厚粗砂岩为亚关键层。随着工作面推进，矿压显现集中在煤壁前方及采空区上方悬顶区域，呈周期性规律。能量演化遵循“积聚—释放—转移”的动态过程，关键层储能达到极限后的突然释放是强矿压发生的动力本质。据此，提出了聚能管爆破切顶方案，通过优化钻孔布置和爆破参数实现定向预裂切缝。现场监测显示，该技术显著改善了顶板冒落条件，巷道变形率降低40%–55%，支架载荷分布更加均匀，有效控制了矿压，为厚煤层硬顶板条件下的安全高效开采提供了可靠的技术途径。

论文解读

研究背景与意义

随着煤炭开采深度的增加和地质条件的复杂化，硬顶板综放工作面的矿压显现愈发难以预测。硬顶板难以及时垮落导致采空区形成大面积悬顶，积聚大量弹性能。一旦超过承载极限或受扰动，极易发生突然失稳，诱发冲击地压、液压支架损坏、煤壁片帮及地震波等强烈动力灾害，严重威胁人员安全和生产作业。尽管学界已在关键层断裂机制、覆岩结构特征及矿压控制技术方面取得了丰硕成果，但对于矿压显现的内在机理，特别是应力、变形与能量之间的内在联系仍缺乏系统性探索。为此，研究人员以内蒙古鄂尔多斯某煤矿61617综放工作面为工程背景，综合运用理论分析、数值模拟与现场监测手段，深入探究强矿压的发生机制与防控技术，旨在为类似条件下的安全高效开采提供理论支撑与技术保障。该研究发表于《Computational Particle Mechanics》。

关键技术方法

研究人员采用理论与数值模拟相结合的方法。首先依据关键层理论，利用顶板断裂步距公式 L=q2h2σt计算并判定主关键层与亚关键层。其次，运用UDEC离散元软件建立二维平面应变模型，追踪开采过程中的应力场与能量场演化。最后，在现场实施聚能管爆破切顶技术，并通过高精度位移与压力传感器对巷道围岩稳定性及支架载荷进行实时监测验证。

研究结果

硬顶板强矿压特征

研究表明，强矿压主要源于覆岩的变形、破裂与结构失稳。基于微震活动记录与实际冒落情况，研究人员将诱发强矿压的顶板断裂模式归纳为两类：一是大跨度悬顶断裂型，其特征是关键层滞后于工作面推进，产生梁弯后瞬时断裂，以重力势能释放为主，表现为高强度矿震；二是超前断裂回转型，其定义为关键层在工作面推进前失效，表现为砌体梁回转滑动模式，以弹性应变能和摩擦滑移能的持续脉冲式释放为主，极易诱发滑冲型岩爆。在实际开采中，这两种模式常叠加出现，形成持续时间更长、强度更大的复合型强矿压。

关键层判定

依据关键层理论及断裂步距计算结果，11.25 m厚粗砂岩的断裂步距为45.25 m，大于7.4 m厚粗砂岩的40.12 m。因此，11.25 m厚粗砂岩被确定为主关键层，7.4 m厚粗砂岩为亚关键层。这一判定明确了后续能量控制与切顶的目标层位。

硬顶板强矿压显现

数值模拟显示，随着工作面推进，顶板冒落与应力集中呈现阶段性演化，具有明显的周期来压特征。在30 m至40 m推进阶段，直接顶持续冒落充填采空区，关键层开始初始变形，垂直应力逐渐增大至35 MPa；推进至50 m至60 m时，关键层发生破裂，煤壁前方应力高度集中，峰值应力大幅增至50 MPa。在空间分布上，强矿压主要集中在煤壁前方及采空区上方的悬顶区域。

硬顶板能量演化特征

通过UDEC内置FISH语言开发能量计算代码，研究人员量化了开采过程中的能量积聚、释放与转移过程。总输入能 U分为耗散能 Ud和可释放弹性应变能 Ue。研究发现，硬顶板能量演化遵循“积聚—释放—转移”的动态过程。开采初期，能量在主关键层内积聚；当推进至50 m左右，能量积聚达到峰值；推进至60 m时，关键层垮落，能量急剧释放并向工作面前方未采区域转移。这种能量的突然释放是强矿压发生的动力本质。

强矿压控制技术

针对61617工作面平均煤厚23.1 m、垮落矸石无法填满采空区的现状，研究人员提出了聚能管爆破切顶技术。该技术基于关键层能量控制理念，通过在顶板布置深度约71 m的钻孔，穿透7.4 m和11.25 m厚的粗砂岩关键层。钻孔间距设定为500 mm，角度为10°，这一角度是综合考虑关键块体滑落失稳的力学平衡条件与定向切割技术限制得出的最优解。施工选用额定钻深不小于100 m的全液压坑道钻机，采用外径50 mm、内径46 mm的PVC或复合材料聚能管，装药密度为1.5–2.5 kg/m，孔口封堵长度12 m，并采用孔内逐孔或分组起爆以降低对围岩的扰动。

切顶效果监测与评价

现场监测结果表明，聚能爆破形成的定向裂缝显著改善了顶板冒落条件，有效阻断了上部关键层的压力传递。巷道两帮移近量由500 mm降至300 mm，降幅达40%；顶底板移近量由450 mm降至200 mm，降幅达55%。同时，液压支架载荷分布更加均匀合理，显著降低了支架承受的集中静载与动载风险，保障了工作面的安全作业。

讨论与结论

综上所述，本研究通过多学科交叉手段，揭示了硬顶板综放工作面强矿压的力学机制与能量演化规律。研究证实，大跨度悬顶断裂与超前断裂回转是主要的动力灾害诱发模式；11.25 m厚粗砂岩与7.4 m厚粗砂岩分别构成了主关键层与亚关键层；能量在关键层内的“积聚—释放—转移”过程是强矿压发生的核心驱动力。基于此提出的聚能管爆破切顶技术，通过人为干预改变了关键层的破断步距与能量释放模式，成功将集中高能释放转化为分散低能释放，实现了对强矿压的有效控制。该研究成果不仅完善了硬顶板矿压理论体系，更为同类地质条件下的矿山灾害防治提供了具有极高推广价值的工程范例。